介质中的麦克斯韦方程讲解.ppt

第一章第四节第一章第四节介质的电磁性质介质的电磁性质南京工业大学应用物理系南京工业大学应用物理系真空中的真空中的麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组所有介质都是由带正、负电荷的粒子组成；介质的存在相当于在真空中给出了大量的处于束缚状态的带电粒子的某种分布。如果存在介质：如果存在介质：在宏观电磁场的作用下，电介质内部的电荷分布发生变化，可能会在介质的内部或者表面出现电荷的不平衡，即出现宏观的附加电荷和电流附加电荷和电流。这些附加的电荷或者电流也会激发电磁场附加的电荷或者电流也会激发电磁场，这样就使得原来的宏观场发生改变。介质中的麦克斯韦方程组介质中的麦克斯韦方程组介质中的麦克斯韦方程组介质中的麦克斯韦方程组:一类电介质的分子的正、负电荷的中心重合，不具有分子电偶极矩。-电中性另一类电介质的分子的正、负电荷中心不重合，具有固有的分子偶极矩；-电中性1 1、介质的极化、极化电荷和极化电流、介质的极化、极化电荷和极化电流I I、极化强度、极化强度 定义：求和为对 V 体积元中的所有分子求和。IIII、简化模型：、简化模型：电偶极距电偶极距:IIIIII、极化电荷、极化电荷从 dS S 面元跑出去的电量为 则因极化而通过 dS S 面元跑出去的分子数为通过一个封闭的曲面跑出去的总电量为 因极化而可能在封闭曲面内出现束缚电荷 为束缚电荷的密度。由于在未极化前介质是中性的，因极化而跑出去一个正电荷，则必然在闭合曲面内留下一个负电荷，所以根据上述分析有：微分形式微分形式a)在非均匀极化时，在介质的整个体内都会出现极化（束缚）电荷；b)在均匀极化时，介质体内无极化电荷，极化电荷只出现在介质的分界面或者自由电荷附近。因介质极化而在分界面上出现的束缚电荷；在面元 dS 的两侧取一定厚度的簿层；簿层内出现的束缚电荷总量与 dS 的比值称为分界面上束缚电荷的面密度。IVIV、束缚电荷在两种介质分界面上的面分布、束缚电荷在两种介质分界面上的面分布 在柱面的高度趋于零时，有SVQPVPP=sr d均匀极化的介质球表面的束缚电荷面密度的分布情况o 解解 由于轴对称性，电介质球表面上任一点 A 的极化电荷面密度P只与有关。V V、介质中麦克斯韦方程之一、介质中麦克斯韦方程之一 真空中麦克斯韦方程之一：在介质内上式仍然成立，在介质内上式仍然成立，定义电位移矢量定义电位移矢量 ：自由电荷自由电荷介质中的介质中的介质中的介质中的麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组VIVI、极化电流、极化电流当电场随时间变化时，正负电荷中心的相对位移也会随时间而改变，由此产生的电流称为极化电流极化电流；极化电荷与极化电流也满足电流的连续性方程：即：所以得：I I、分子环形电流模型、分子环形电流模型原子：原子核与核外电子，电子不停的绕原子核运动；电子还存在自旋运动；从磁学的角度从磁学的角度，电子的这些运动特征可等效为一个微观尺寸的分子环形电流；分子环形电流可以用磁偶极矩磁偶极矩描述：2 2、介质的磁化、磁化电流、介质的磁化、磁化电流IIII、磁化强度、磁化强度IIIIII、磁化电流、磁化电流 因介质的磁化而引起的电流计算：通过曲面 S 的总磁化电流（从背面流向前面）只与边界线所链环只与边界线所链环的分子电流对曲面（从背面流向前面）的总磁化电流有贡献分子电流元的面元矢量：分子电流元的面元矢量：所以或者 在介质内仍然成立，只不过应包括自由电流密度、以及诱导出的极化、磁化电流密度。3、介质中的麦克斯韦方程之二、介质中的麦克斯韦方程之二利用前面的关系式，自由电流分布容易通过实验条件来控制和测定。得到定义为：可将上式改写为：引入一个辅助的物理量：磁场强度磁场强度 真空中的麦克斯韦方程真空中的麦克斯韦方程真空中的麦克斯韦方程真空中的麦克斯韦方程介质中的麦克斯韦方程介质中的麦克斯韦方程从现在起，除特别说明，以后公式中的都是指自由电荷和自由电流分布。（4.23）在作用电磁场不是很强，同时外场的变化不是很快的条件下，介质对外场的响应是线性和同时的。介质对外场的响应是线性和同时的。1 1）对各向同性电介质，有：）对各向同性电介质，有：为介质的电容率（介电常数）为介质的极化率4、介质的电磁性质关系、介质的电磁性质关系 2 2）对各向异性的晶体材料）对各向异性的晶体材料由于由于存在某些容易电极化的取向，使得电位移矢量和电场强度一般不在同一方向。它们之间的一般关系是张量关系：3 3）对于）对于各向同性、非铁磁介质各向同性、非铁磁介质磁化强度与磁场强度之间有简单的线性关系为介质的磁导率。为材料的磁化率4 4）导体中，电流密度矢量与电场是线性关系）导体中，电流密度矢量与电场是线性关系